DE2204473C3 - Device for determining temporal mean values of the current and / or the concentration of gas components in a measurement gas - Google Patents
Device for determining temporal mean values of the current and / or the concentration of gas components in a measurement gasInfo
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Description
V1 U) = V 1 U) =
V1 l/)d/ V 1 l /) d /
V1, ■ k,,,ID V1 U) ■ k,,V 1 , ■ k ,,, ID V 1 U) ■ k ,,
V,U)V, U)
4(14 (1
einem dem Mittelwertbildner (12) nachgeschalteten zweiten Multiplizierglied (13) für die Multiplikation -r. des Mittelwertes VVftJmitdem Konzentrationswert k,f sowie einem den Multipliziergliedern nachgeschalteten Subtrahierglied (14) für die Bestimmung der Differenza second multiplier (13) for the multiplication -r, connected downstream of the averaging unit (12). of the mean value VVftJ with the concentration value k, f and a subtracter (14) connected downstream of the multipliers for determining the difference
"ill"ill
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein dem Mittelwertbildner (12) nachgeschaltetes Subtrahierglied (16) für die Bildung der Differenz4. Apparatus according to claim 3, characterized by an averaging device (12) connected downstream Subtractor (16) for forming the difference
V,.- V~h (t)V, .- V ~ h (t)
sowie einem Dividierglied (17) für die Bildung des Quotientenand a divider (17) for forming the quotient
V1U)I V1, V1 (/| Α·(/( V 1 U) IV 1 , V 1 (/ | Α (/ (
WlWl
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 4, bei der das Meßgas durch das Atemgas eines Probanden gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß b-> als zusätzliches Gas Raumluft dient.5. Device according to one of claims I to 4, wherein the measurement gas by the breathing gas Test persons is formed, characterized in that b-> room air serves as an additional gas.
V1U) =-V 1 U) = -
k,U)k, U)
k,U)k, U)
j A,li) j A, li)
j. / fu.d,j. / fu.d,
wobei k,(0 die Konzentration der interessierenden Gaskomponente im Meßgas und V(t) der Strom des Meßgases in Abhängigkeit von der Zeit / bedeuten. Die interessierenden Mittelwerte V1(O und K1(I) der jeweiligen Gaskomponente erhält man exakt, wenn mi'tels eines schnellen Konzentrationsmessers (Zeitkonstante klein gegen Schwankungsdauer der Strömung), z. B. Massenspektrometer, die Konzentration k, (0und mittels eines Strömungsmessers, z. B. Pneumotachograph, der Meßgasstrom V(t) kontinuierlich gemessen und die jeweils gemessenen Werte gemäß der angegebenen Gleichungen elek'ronisch ausgewertet werden. Schnelle Konzentrationsmesser sind jedoch technisch sehr aufwendig und damit auch sehr teuer.where k, (0 is the concentration of the gas component of interest in the measurement gas and V (t) is the flow of the measurement gas as a function of time /. The mean values of interest V 1 (O and K 1 (I) of the respective gas component are obtained exactly if Using a fast concentration meter (time constant small compared to the fluctuation time of the flow), e.g. mass spectrometer, the concentration k, (0 and using a flow meter, e.g. pneumotachograph, the measuring gas flow V (t) is continuously measured and the respectively measured Values are evaluated electronically in accordance with the equations given. However, fast concentration meters are technically very complex and therefore also very expensive.
Einen preiswerteren Einsatz gewährleistet zwar die Vorrichtung nach der US-PS 35 95 063; bei dieser Vorrichtung fällt am Ausgang des Mischgefäßes bereits ein mittlerer Konzentrationswert Fi(I) an, zu dessen Anzeige lediglich ein Konzentrationsmesser mit verhältnismäßig großer Zeitkonstantc, d. h. ein technisch weniger aufwendiger und damit auch erheblich billige-The device according to US Pat. No. 3,595,063 ensures cheaper use; With this device, an average concentration value Fi (I) is already obtained at the outlet of the mixing vessel.
rer Konzentrationsmesser, erforderlich ist. Die Teilströmung ergibt sich — sofern zusätzlich noch ein Strömungsmesser eingesetzt wird — zurer concentration meter, is required. The partial flow results - if a flow meter is also used - to
V(O-IO)- V(i),V (O-IO) - V (i),
wobei V(t) den (errechneten) Mittelwert des mit dem zusätzlichen Strömungsmesser erfaßten Meßgasstromes darstellen würde. Der Vorteil der Kostenersparnis würde jedoch mit dem Nachteil einer erhöhten Meßungenauigkeit mindestens im Rahmen der Größe V1 φ erkauft.where V (t) would represent the (calculated) mean value of the measuring gas flow recorded with the additional flow meter. The advantage of cost savings would, however, be bought with the disadvantage of increased measurement inaccuracy, at least within the range of V 1 φ.
Der Grund für diese Meßungenauigkeit liegt darin, daß sich mit der aus der US-PS bekannten Vorrichtung auch bei Einsatz eines zusätzlichen Strömungsmessers immer entweder nur der Wert k,(0 oder der für die Berechnung von V1(O weiterhin erforderliche Wert V OX niemals jedoch beide Werte gleichzeitig exakt erfassen lassen. So läßt sich beispielsweise bei instationärer Durchströmung des Mischgefäßes der Strom V (Odes Meßgases exakt messen und damit auch über eine vorgebbare Zeitdauer Γ exakt mitteln; diese Zeitdauer T stellt jedoch lediglich einen geschätzten Mittelwert für die Mischdauer des Gefäßes dar (tatsächliche Mischdauer ist abhängig vom Zeitverhalten des Stromes V(OX so daß bei Abweichungen der tatsächlichen Mischdauer vom geschätzten Wert entsprechend abweichende Konzentrationswerte k,(t) erhalten werden. Wird hingegen der Meßgasstrom V (t) durch das Mischgefäß auf einem konstanten Wert gehalten, z. B. durch konstante Absaugung des Gases (in der Lungenfunktionsdiagnostik wird dem Probanden eine Atemmaske aufgesetzt und das Atemgas aus der Atemmaske konstant abgepumpt), so ergeben sich zwar definierte Mischzeiten^ T und damit auch exakte Konzentrationswerte k,(0 Der Wert V(t) (in der Lungenfunktionsdiagnostik das sog. Atemzeitvolumen) ist hingegen nicht mehr meßbar, und damit kann auch der Wert V1 (tynicht ermittelt werden.The reason for this inaccuracy is that also when use of an additional flow meter k with the method known from US-PS device always either the value (0 or the further required for the calculation of V 1 (O value V OX never However, both values can be recorded exactly at the same time. For example, with unsteady flow through the mixing vessel, the current V (Odes measuring gas can be measured exactly and thus also precisely averaged over a predeterminable time period Γ; however, this time period T only represents an estimated mean value for the mixing time of the vessel represents (actual mixing time is dependent on the time behavior of the current V (OX so that in case of deviations of the actual mixing time from the estimated value corresponding to different concentration values k (t) are obtained. in contrast, if the measurement gas flow V (t) held by the mixing vessel at a constant value , e.g. through constant suction of the gas (in pulmonary function diagnostics If a breathing mask is put on the test person and the breathing gas is constantly pumped out of the breathing mask), defined mixing times ^ T and thus also exact concentration values k, (0 The value V (t) (in lung function diagnostics, the so-called breathing time volume) is not, however more measurable, and thus the value V 1 (tyno be determined.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßvorrichtung anzugeben, r..it der sich ohne erheblichen technischen sowie Kosten-Mehraufwand die gewünschten Meßwerte exakt erfassen lassen.The object of the invention is to provide a measuring device that can be used without significant technical as well as additional costs, the desired measured values can be recorded exactly.
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zugemischte Gas (Vf (t))d\e zu messende Gaskomponente in bekannter konstanter Konzentration (k,i) enthält, daß die zusätzliche Gasquelle und die Leitung mit dem Meßgas am Hingang des Mischgefäßes angeschlossen sind, so daß das zusätzliche Gas (V/ (0) dem Meßgasstrom (V(t))w beigemischt wird, daß sich in der Ausgangslcitung des Mischgefäßes ein konstanter Summenstn.mThe object is achieved according to the invention with a device of the type mentioned at the outset in that the added gas (V f (t)) contains the gas component to be measured in a known constant concentration (k, i) that the additional gas source and the line with are connected to the measuring gas at the inlet of the mixing vessel, so that the additional gas (V / (0) is added to the measuring gas flow (V (t)) w so that a constant total m
(V,. = V + V1) (V ,. = V + V 1 )
aus Meßgusstrom und /usat/gasstrom ergibt und daß ein Stromungsmesser in den Strömungsweg des Meßgases odt: des zusätzlichen Gases vor der Vermischung eingeschaltet ist.from Meßgusstrom and / usat / gasstrom and that a flow meter in the flow path of the Measurement gas odt: the additional gas is switched on before mixing.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich der mittlere Teilstrom V, (I) der untersuchten Gaskomponente im Meßgas zuIn the device according to the invention, the mean partial flow V, (I) of the examined gas component in the measurement gas results
V1U) V,; -IiHiU) V1U)- k,i .V 1 U) V ,; -IiHiU) V 1 U) - k, i.
wobei Vi(I) der Strom des aus der Gasquelle zugeführten Gases, k,i die Konzentration der untersuchten Gaskomoonente in c/iesem Gas. Vc der konstante Summenstromwhere Vi (I) is the flow of the gas supplied from the gas source, k, i is the concentration of the gas components examined in this gas. Vc is the constant total current
V(O + V1 (t)V (O + V 1 (t)
im Mischgefäß und k,c(0 die Konzentration der Gaskomponente im Summenstrom Vo bedeutet.in the mixing vessel and k, c (0 means the concentration of the gas component in the total flow Vo.
Bei der genannten Gleichung sind die Werte Va sowie k,i jeweils bekannt. Der Wert TcZ (t) läßt sich am Konzentrationsmesser unmittelbar ablesen. Dieser Wert entspricht exakt dem mittleren Konzentrationswert der untersuchten Gaskomponente im Gesamtstrom Vg, weil der Gesamtstrom Vc durch das Mischgefäß konstant ist. Der Wen Ve(O kann unmittelbar dadurch erhalten werden, daß der Strömungsmesser in den Strömungsweg des zusätzlich zugeführten Gases eingeschaltet wird, oder mittelbar dadurch, daß mittels eines Strömungsmessers im Strömungsweg des Meßgases der Wert V(t) gemessen und anschließendIn the above equation, the values Va and k, i are each known. The value TcZ (t) can be read off directly on the concentration meter. This value corresponds exactly to the mean concentration value of the examined gas component in the total flow Vg, because the total flow Vc through the mixing vessel is constant. The Wen Ve (O can be obtained directly by switching the flow meter into the flow path of the additionally supplied gas, or indirectly by measuring the value V (t) by means of a flow meter in the flow path of the measuring gas and then
Vr(t)= Vc- V(t)Vr (t) = Vc- V (t)
berechnet wird. Die Mittelung des V nes V, (t) über die Zeitdauer Γ (entspricht Mischzeit T= " desis calculated. The averaging of V nes V, (t) over the period Γ (corresponds to mixing time T = " des
VuVu
Mischgefäßes mit dem Volumen V0) wird vorzugsweise r> elektronisch vorgenommen.Mixing vessel with the volume V 0 ) is preferably performed electronically.
Zur Bestimmung der gesuchten mittleren TeilströTo determine the mean partial flow sought
mung V1(O sind also Meßgrößen erforderlich, diemung V 1 (O are therefore measured variables required, the
entweder von vornherein bekannt sind (Vc: k,i) oderare either known in advance (Vc: k, i) or
mittels der erfindungsgernäßen Vorrichtung exakt ίο bestimmt werden können (k,c(t): Vt(O) Damit ist auch — wie erwünscht - der gesuchte Wert V1 (t) exaktby means of the device according to the invention, exactly ίο can be determined (k, c (t): Vt (O)) . The value V 1 (t) sought is thus also - as desired - exactly
bestimmbar.
Der gegebenenfalls weiterhin gesuchte Mittelwertdeterminable.
The mean value that may still be searched for
der Konzentration der untersuchten Gaskomponente η im Meßgas ergibt sich^ann bei Kenntnis des exaktenthe concentration of the investigated gas component η in the measurement gas results from knowing the exact one
Teilstrommittelwertes V, (t)zu Partial flow mean value V, (t) to
V, (M V, (M
f (Mf (M
M . der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich also gleichzeitig Mittelwerte sowohl des Stromes als auch der Konzentration von Gaskomponei.ten einesM. the device according to the invention can thus simultaneously mean values of both the current and also the concentration of gas components
4") Meßgases exakt bestimmen.4 ") determine measuring gas exactly.
Der gegenüber den bekannten Vorrichtungen erforderliche technische sowie Kosten-Mehraufwand ist gering, da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich eine zusätzliche Gasquelle (bei der Untersu-The technical and additional expense required compared to the known devices is low, since in the device according to the invention only one additional gas source (in the investigation
-,0 chung von Atemgas wird als Gasquelle z. B. einfach die Umgebungsluft herangezogen) mit einer entsprechenden Anschlußleitung an das Mischgefäß und bezüglich der bisher rein instationär betriebenen Vorrichtungen lediglich noch ein Konstantstromerzeuger, z. B. eine im-, 0 chung of breathing gas is used as a gas source z. B. simply used the ambient air) with a corresponding Connection line to the mixing vessel and with regard to the devices that have hitherto been operated in a purely non-stationary manner only a constant current generator, z. B. an im
v> Summenstromweg eingeschaltete (relativ billige) Pumpe konstanter Pump'eisiung. benötigt werden.v> Total current path switched on (relatively cheap) pump with constant pump configuration. are needed.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich daraus, daß /u- Bestimmung des Wertes V1(I) nicht mehr — wie bisher — unmittelbar derAnother advantage of the device according to the invention results from the fact that / u- determination of the value V 1 (I) is no longer - as before - directly the
mi Meßgasstromwert "(ι) bekannt sein muß. sondern daß der Wert V, (I) unter Heranziehung des Wertes V, (I) errechnet werden kann.mi Meßgasstromwert "(ι) must be known. but that the value V (I) can be calculated by reference to the value of V (I).
Insbesondere in der Lungenfunktionsdügnosiik ist damit die Möglichkeil gegeben, den Atemgas-Strö-Especially in pulmonary function diagnostics so that the possibility is given to the breathing gas flows
(Vi mungsweg frei von Strömungsmessern zu halten, wodurch einerseits der Proband weniger belastet wird und andererseits aufgrund der definierten Anströmverhältnisse, des erheblic! . crkleinerten Totraumes sowie(Keep the vial path free of flow meters, whereby, on the one hand, the test subject is less stressed and on the other hand due to the defined flow conditions, the significant! . reduced dead space as well
der Unabhängigkeit der Messung von Viskositäts- und Dichteschwankungen des Atemgases auch das gesamte MeBresultat verbessert wirdthe independence of the measurement of viscosity and Density fluctuations of the breathing gas also improve the overall measurement result
Da das zusätzlich zugeführte Gas in seiner Zusammensetzung, Temperatur und Strömungsrichtung (Pumpleistung so eingestellt, daß zu jedem Zeitpunkt Vc> Vmat (0) konstant ist, können zur Bestimmung von VVY^einfache, in gewissen Bereichen sogar nichtlineare Strömungsmesser, z. B. billige Normblenden, eingesetzt werden. Ein solches System erfordert außerdem keine Ventile. (Der Proband atmet in der Inspirationsphase automatisch Raumluft über die zusätzliche Raumluftanschlußleitung ein.)Since the composition, temperature and direction of flow of the additionally supplied gas (pump power is set so that Vc> Vmat (0) is constant at all times), simple, in certain areas even non-linear flow meters, e.g. cheap flow meters, can be used to determine VVY ^ Furthermore, such a system does not require any valves.
Die Erfindung wird anhand von zwei Figuren, welche ein Ausführungsbeispiel (Lungenfunktionsdiagnostik) für eine Meßvorrichtung darstellen, im folgenden näher erläutert:The invention is illustrated by means of two figures, which show an exemplary embodiment (lung function diagnostics) represent for a measuring device, explained in more detail below:
In der F i g. 1 atmet ein Proband I über eine Gasleitung 2 in ein Mischgefäß 3 vom Volumen Vn. In der Leitung 2 befindet sich eine Falle 4 zur Abscheidung fester und flüssiger Bestandteile im Atemgas des Probanden 1.In FIG. 1, a test person I breathes through a gas line 2 into a mixing vessel 3 of volume V n . In the line 2 there is a trap 4 for separating solid and liquid components in the respiratory gas of the test person 1.
An die Leitung 2 ist ferner eine weitere Gasleitung 5 angeschlossen. Der Anschluß der Gasleitung kann selbstverständlich auch schon vor der Falle 4 erfolgen. Die Gasleitung 5 mündet mit ihrem freien Ende in der Umgebungsluft. In dieser Leitung 5 sind eingeschaltet ein Strömungsmesser 6, z. B. Normblende oder Fleisch sehe Düse, sowie ein Lüfter 7, welcher uei Einstellung erwünschter Druckwerte in der Atemgaszuführleitung 2 dient.A further gas line 5 is also connected to the line 2. The connection of the gas line can of course also take place before trap 4. The gas line 5 opens with its free end in the Ambient air. In this line 5, a flow meter 6, z. B. standard aperture or meat see nozzle, as well as a fan 7, which uei setting desired pressure values in the breathing gas supply line 2 is used.
Das MiscH"ffaß 3 besitzt eine Ausgangsleitung 8 für das in das Gefäß 3 einströmende Gas. An der Ausgangsleitung 8 ist ein Konzentrationsmesscr 10 für die untersuchte Gaskomponente im Atemgas des Probanden 1, z.B. Sauerstoff-Konzentrationsmesser und/oder Kohlendioxid-Konzentrationsmesser, angeschaltet. In der Ausgangsleitung 8 befindet sich fener eine Pumpe 9 einstellbarer konstanter Pumpleistung.The mixing barrel 3 has an output line 8 for the gas flowing into the vessel 3. At the output line 8 is a concentration meter 10 for the examined gas component in the respiratory gas of test person 1, e.g. oxygen concentration meter and / or carbon dioxide concentration meter, switched on. In the output line 8 there is fener a pump 9 of adjustable constant pumping power.
Im Betriebszustand der Vorrichtung gemäß Fig. 1 wird aufgrund der konstanten Pumpleistung der Pumpe 9 im Mischgefäß 3 ein konstanter GasstromIn the operating state of the device according to FIG. 1, due to the constant pumping power of the pump 9 in the mixing vessel 3 a constant gas flow
Vo= V(I)+ VE(t)Vo = V (I) + V E (t)
erzeugt, wobei V(t)aev Atemgasstrom des Probanden 1 und Vf (t) der durch die Pumpe 9 über die Leitung 5 angesaugte Luftstrom bedeuten. Die Pumpleistung ist dabei so gewählt, daß zu jedem Zeitpunkt die Beziehung Vt,> Vm„ (t) (d.h. Vi(I) >0) erfüllt ist. Dadurch ist gewährleistet, daß das vom Probanden 1 ausgeatmete Atemgas vollständig in das Mischgefäß 3 gelangt und nicht beispielsweise teilweise über die Leitung 5 in die Umgebungsluft entweichen kann.generated, where V (t) aev respiratory gas flow of test person 1 and Vf (t) mean the air flow sucked in by the pump 9 via the line 5. The pump power is selected so that the relationship Vt,> V m "(t) (ie Vi (I)> 0) is fulfilled at any point in time. This ensures that the breathing gas exhaled by the test person 1 reaches the mixing vessel 3 completely and cannot, for example, partially escape via the line 5 into the ambient air.
Bei einer solchen Betriebsweise ergibt sich somit — wie erwünscht — die eingangs bereits aufgeführte Beziehung:With such a mode of operation, there is thus - as desired - the one already mentioned at the beginning Relationship:
VjU) = Y1, ■ Α;,;!/) l:'/ in ■ k,i . VjU) = Y 1 , ■ Α;,;! /) L : '/ in ■ k, i.
Die Größe S/(, ergibt sich unmittelbar aus der Pumpleistung der Pumpt 9. Der Strom Vi (t) wird am Strömungsmesser 6 als elektrisches Signal abgegriffen. Der Konzentrationswert k,i des Luftstromes Vi (ι) ist aus der Zusammensetzung der Raumluft bekannt (ca. 21% O), 0% COj), und der Konzentrationswert k7, (:} kann unmittelbar an dem cntsprujhenden Konzentrationsmesser 10 abgelesen werden.The quantity S / ( , results directly from the pumping power of the pump 9. The current Vi (t) is tapped as an electrical signal at the flow meter 6. The concentration value k, i of the air flow Vi (ι) is known from the composition of the room air ( approx. 21% O), 0% COj), and the concentration value k7, (:} can be read directly from the spraying concentration meter 10.
Die Berechnung des Wertes V, (ι) wird vorzugsweise mittel', finer in Fig.2 dargestellten Recheneinrichtung vorgenommen.The calculation of the value V, (ι) is preferably carried out by means of the computing device shown in FIG.
Zur Bildung des Produktes Vr, ■ k,,,(t) ist dabei ein Multiplizierglied 11 vorgesehen. Ein Mittelwertbildner 12 dient zur Berechnung des Mittelwertes Vj-(t) V« A multiplier 11 is provided to form the product V r , ■ k ,,, (t). A mean value generator 12 is used to calculate the mean value Vj- (t) V «
(Mittelungszeit T -(Averaging time T -
Vl,Vl,
). In einem weiteren Multiplizierglied 13 wird das Produkt aus V, (i) und k,i gebildet ). In a further multiplier 13, the product of V, (i) and k, i is formed
κι und mittels eines Subtrahiergliedes 14 die Differenz zwischen den Ausgangssignalen des Multipliziergliedes 11 und Multipliziergliedes 13. Der sich am Ausgang des Subtrahiergliedes 14 ergebende Wert V,(t)wrd mittels eines geeigneten Anzeigegerätes 15 angezeigt.κι and by means of a subtracter 14 the difference between the output signals of the multiplier 11 and multiplier 13. The value V, (t) resulting at the output of the subtracter 14 is displayed by means of a suitable display device 15.
Γι Die Recheneinrichtung nach Fig. 2 weist ferner ein zweites Subtrahierglied 16 auf zur Bildung der DifferenzThe computing device according to FIG. 2 also has a second subtracter 16 to form the difference
Vr, - VV (i) Vr, - VV (i)
κι sowie ein Dividierglied 17 zur Berechnung des Quotientenκι and a dividing member 17 for calculating the Quotient
A1IM =A 1 IM =
f'ilf)f'ilf)
Der Konzentrationswert fT,(t) wird mittels eines Konzentrationsanzeigegerätes 18 angezeigt.The concentration value fT, (t) is displayed by means of a concentration display device 18.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (3)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
EF | Willingness to grant licences | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |